關于建筑混凝土結構設計的思考

臧傳剛

【摘要】本文主要通過對某建筑工程混凝土結構設計的介紹，探討了這類建筑采用何種計算模型和分析軟件準確模擬、超長鋼筋混凝土框架結構的收縮應力和溫度應力如何解決等問題。

【關鍵詞】建筑工程；混凝土；結構設計；預應力

1、建筑混凝土結構設計中的注意要點分析

1.1概念設計

結構概念設計是保證結構具有優良抗震性能的一種方法。結構概念設計是要求建筑師和結構師在建筑設計中應特別重視規范、規程中有關結構概念設計的各條規定，設計中不能陷入只憑計算的誤區。以下一些要點值得注意：

1.1.1 在結構體系上，應重視結構的選型和平、立面布置的規則性，擇優選用抗震和抗風性能好且經濟合理的結構體系。結構應具有明確的計算簡圖和合理的傳遞地震力途徑，結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近。

1.1.2 一般工程都僅進行小震下的彈性設計，而用概念設計和構造措施保證“中震可修，大震不倒”，但沒有驗算和證實，那么建筑物是否真能做到“中震可修，大震不倒”，無人知曉。對抗震設防烈度較高地區的特別重要建筑和超限建筑，審查專家往往會提出更具體的設計指標：1）中震或大震不屈服設計；2）中震或大震彈性設計；要求設計單位確保實現“三水準”的設計目標。

1.1.3 水平地震作用是雙向的，結構布置應使結構能抵抗任意方向的地震作用，應使結構沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力；結構剛度選擇時，雖可考慮場地特征，選擇結構剛度以減少地震作用效應，但是也要注意控制結構變形的增大，過大的變形將會因p-δ效應過大而導致結構破壞。

1.2 結構選型

1.2.1 結構的規則性問題。新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動，新規范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。”因此，結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作被動。

1.2.2 結構的超高問題。在抗震規范與高規中，對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑，因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。

1.2.3 嵌固端的設置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面。

2、工程實例概況

該建筑是一個集比賽、演出、展銷等功能于一體的大型綜合性公共建筑，建筑占地面積1.54萬m2，總建筑面積2.7萬m2，四層，建筑總高度（含鋼結構屋面）30.6m。平面尺寸25m×151m，形狀近似橢圓。內設6040個座席，其中固定看到座席3948個，活動看臺座席1950個，其他142個。館內可以進行手球、網球、籃球、排球、羽毛球、乒乓球、藤球、體操等各項正式比賽，還可以兼作大型文藝演出及大型展銷用地。看臺部分局部4層，2層館外為觀眾疏散大平臺。屋面為雙曲球面鋼管桁架鋼結構承重體系，鋼結構柱角支撐在2層室外大平臺混凝土框架梁上，上部支撐在4層混凝土框架柱上，外包玻璃幕墻及鎂鋁錳復合板。整個工程體形獨特，宏偉壯觀，外形曲線流暢柔和。

3、地基基礎設計

本工程位于構造活動帶中的相對穩定地塊。擬建場地未見有明顯的斷裂構造帶及斷層通過，不必考慮活動性斷裂的影響。場地抗震設防烈度6度區，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組屬第一組。根據上部荷載情況及地質條件，確定采用柱下獨立基礎，以1層碎塊狀強風化凝灰質粉砂巖為持力層，承載力特征值500kPa。設計時為減少沉降量和沉降差對屋面鋼結構產生次應力，故有意加大基礎面積。

4、上部混凝土結構設計

4.1計算模型的確定

本工程雖地處6度設防區，但由于其為空曠的大型建筑，按抗震設防分類標準，工程屬于乙類建筑，應按7度抗震構造，框架結構的抗震等級應為二級。看臺局部雖僅四層，設計時需考慮大空間結構的不利影響。加之屋頂為雙曲球面鋼管桁架空間結構，管桁架屋面在支撐柱頂產生較大的水平應力，而框架柱的側移又直接影響到鋼桁架結構中桿件的內力分配，兩者互相影響。如何將鋼結構屋面與混凝土框架作為一個整體進行分析，是本工程的一大難點。目前SATWE程序無法做到這點，一般的鋼結構設計程序，也不能對此混凝土結構作出準確的分析。考慮到鋼屋架對混凝土結構的影響僅局限于支撐柱和梁，對樓層梁應無太大影響，故設計時首先采用SATWE程序對混凝土主體結構進行分析計算，由于看臺部分多為斜梁，SATWE 程序雖可以準確分析較復雜空間結構，但仍需抽取單榀框架，用PK程序對斜梁和柱進行復核。再用MIDAS GEN程序對屋面管桁架進行設計，計算時將支撐柱按實際長度輸入，以考慮支座剛度的影響。

4.2整體分析

根據 MIDAS GEN 對屋面鋼結構的分析，屋面結構在恒、活、風載、溫度（±30℃）作用的組合下，支座處最大水平力為1031kN，最大彎矩為 1150kN·m，可見鋼結構對混凝土支撐柱及支撐梁有不小的影響。但樓層處影響有限，應重點對支撐柱、支撐梁作應力分析。屋面鋼結構的恒、活、風載、溫度產生的內力，通過節點力分別輸入軸力、彎矩、剪力。但SATWE程序無法自動對附加溫度應力進行組合計算。設計時，通過 SATWE 程序中的“計算水平和特殊風載”功能，將屋面鋼結構產生的溫度應力輸入到“特殊荷載定義”中，再通過“采用自定義組合及工況”進行整體計算，以最大程度模擬混凝土結構實際受力情況。由于本工程X 軸、Y軸基本對稱，分析結果顯示扭轉效應不明顯，結構層間位移最大值為1/611，均在規范的允許范圍內。對于支撐鋼結構的框架梁、框架柱，除用MIDAS GEN進行有限元節點分析外，進一步加強結構構造措施，以免重要構件先于主體結構破壞。

4.3混凝土樓板設計

根據建筑專業的要求，體育館不留伸縮縫，2層混凝土室外樓板最大弧長約300m，收縮應力、溫度應力不容忽視，若不處理好，會造成樓板和墻體開裂。設計時采取以下措施：①樓板厚度取120mm，沿平面切向方向均勻布置8條后澆帶，將樓層平面分隔成8個區域，同時增大樓板配筋率。②混凝土摻入適量抗裂微膨脹外加劑，并摻入適當的Ⅰ級粉煤灰做摻和料減少水泥用量，改善混凝土的性能，減少水化熱。施工時加強養護。③平面內徑向框架梁、次梁均增加無粘結預應力鋼筋。通過上述各項措施后，最大程度控制裂縫的發展。目前該工程已經竣工，也度過一個冬季，基本未發現樓板開裂現象，說明這些措施達到了預期效果。

結束語

通過該建筑工程設計可以看到，一個合理的計算模型和分析方法，對建筑體型較復雜的大空間混凝土框架主體的結構設計是非常重要的，否則，上下兩種結構之間的相互作用無法準確模擬。大面積鋼筋混凝土結構采用優化混凝土配合比、摻入適當的外加劑、加強養護、加大配筋率、增加預應力等適當的構造措施，是可以不留伸縮縫的。隨著設計理念的不斷發展，空曠空間結構，必將朝著更加合理的方向發展。

參考文獻

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